CN108445571B - 一种增强非对称传输的单层微纳结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种增强非对称传输的单层微纳结构,所述的结构由多个结构相同的周期单元上下、左右连接而成，所有的周期单元位于同一平面内；所述的周期单元为：周期单元本体上加工有矩形孔和半圆形孔，矩形孔的长边与半圆形孔的直径平行，半圆形孔的圆弧与矩形孔的长边相离或者相切；矩形孔长边与Px方向的夹角α为0～45°；通过矩形孔和半圆形孔之间的夹缝对电荷的聚集能力不同，在极化转化光谱上呈现出共振峰的模式，在长波长段可出现两个较大的AT信号，在短波长增加一个AT信号，增加了手性分子的探测精度，同时本发明的制备方法节省了结构图形的曝光时间，提高了制备效率。

Description

一种增强非对称传输的单层微纳结构及其制备方法
技术领域
本发明属于电磁波偏振态调控技术领域，具体涉及一种增强非对称传输的单层微纳结构及其制备方法。
背景技术
非对称传输(Asymmetric Transmission，AT)是指传输系统对沿不同传输方向入射的电磁波表现出不同的转化性能。如图1(a)所示，对于一个极化转换非对称传输系统A来说，从系统A正面入射的左旋光(left circularly polarized，LCP)经过系统A后，接收到的右旋光(right circularly polarized，RCP)的透射率为
Figure GDA0002522798480000011
从系统A背面入射的左旋光经过系统A后接收到的右旋光的透射率为
Figure GDA0002522798480000012
其中箭头方向表示从传输系统的正面或背面入射，下标“-”表示入射光为左旋光，“+”表示出射光为右旋光。一个偏振态光的总透射率为：
Figure GDA0002522798480000013
则对于系统A极化转换的非对称传输可以表示为：
Figure GDA0002522798480000014
又通过洛伦兹变化：
Figure GDA0002522798480000015
得到：
Figure GDA0002522798480000016
上述表达式表明沿圆偏振光入射-z方向激发的非对称传输的值和在+z方向激发的非对称传输的值相反。为了清楚和明确的表述，在本方案中我们规定的条件是圆偏振沿着-z方向入射。
其表示的物理意义如图1(b)所示，从正面入射到系统A的左旋光，经过系统A后转换为的右旋光，与从正面入射到系统A的右旋光，经过系统A后转换为的左旋的转换率是不同的。对于从背面入射时非对称传输的值是相同的。
超材料内的电磁场会产生交叉耦合，在这种情况下，电磁波在透过超材料之后，其透射系数会不一样，且最终的偏振状态和入射波相比，也有很大变化。借助这一点，能够对电磁波的偏振状态进行控制，并制作出相应的功能器件，如电磁二极管与电磁开关等。有许多复杂的超材料被报道出来在微波、太赫兹，甚至光学范围内可以实现线性和圆极化波的不对称传输，非对称性传输在偏振转换器、偏振旋转器、隔离器和循环器装置等光学器件的设计中得到了广泛的应用。
尤其在生物分子领域，手性分子一般都比较弱，而人造微纳金属结构可大大提高其手性，AT值作为手性分子的探测信号就显得尤为重要，所以我们在设计这种非对称传输的结构时，需要达到大的非对称传输效率，即大的AT值和尽可能多的AT信号。因此，对不同类型非对称传输器件的设计与实现的研究，具有很重要的现实意义。
中国专利CN201710221105.3公开了一种实现非对称传输的单层金纳米结构及其制备方法，该结构通过准备基底、涂光刻胶、涂胶后烘干、电子束曝光结构图形、显影、定影、定影后烘干、镀金、剥离光刻胶、吹干十个步骤制备；此结构虽然实现了光的非对称透射特性，提高了AT值，但在短波长段只有一个AT信号，因此手性探测信号还比较弱，探测效果不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的手性探测信号探测不明显的问题,提供一种在长波长处可以产生两个较大AT信号、在短波长段增加一个AT信号、增加和增强探测信号、提高探测效果的增强非对称传输的单层微纳结构及其制备方法。
解决上述技术问题采用的技术方案是：所述的结构由多个结构相同的周期单元上下、左右连接而成，所有的周期单元位于同一平面内；
所述的周期单元为：周期单元本体上加工有矩形孔和半圆形孔，矩形孔的长边与半圆形孔的直径平行，半圆形孔的圆弧与矩形孔的长边相离或者相切；矩形孔长边与Px方向的夹角α为0～45°，其中，Px定义为x轴。
本发明的周期单元本体是边长为630nm的单层正方形结构，周期单元本体的厚度t＝80nm，矩形孔长边长l＝540～560nm，短边长w＝100～300nm，半圆形孔的直径d＝100～300nm，半圆孔的圆弧顶点与矩形孔之间的垂直距离g＝0～10nm。
本发明的周期单元本体由金材料制作。
本发明的结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备基底：准备ITO玻璃基底并清洗吹干；
S2、涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ITO玻璃基底上涂覆PMMA光刻胶；
S3、涂胶后烘干：将步骤2涂覆PMMA光刻胶的基底放在热板上烘干；
S4、电子束曝光结构图形：用图形发生器设计上述的结构图形，并用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；
S5、显影：常温下，将步骤4中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；
S6、定影：将步骤5浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影，定影完成后将基底取出，用氮气吹干；
S7、定影后烘干：将步骤6浸泡定影后并吹干的基底放在热板上烘干；
S8、镀金：将步骤7定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀金，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
S9、剥离PMMA光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤8真空镀金后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解电子束PMMA光刻胶；
S10、吹干：用氮气枪吹干步骤9得到的剥离PMMA光刻胶后的基底，得到所述实现非对称传输的微纳金属结构。
本发明的步骤S1中ITO玻璃基底厚度为1.0mm，长×宽为20.0mm×20.0mm，所述的基底放入洗涤液中清洗，用去离子水超声15min后，用丙酮超声15min，再用酒精超声15min，之后用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。
本发明的步骤S2中光刻胶的厚度为270nm，所述甩胶机的转速为4000rpm，时间为60s。
本发明的步骤S3和步骤S7中烘干的温度为150℃，时间为3min。
本发明的步骤S5中浸泡显影的时间为60s。
本发明的步骤S6中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3:1配合制成，浸泡定影的时间为20s。
本发明的步骤S8中真空蒸发镀膜机的真空度不大于3×10-6torr，蒸镀金的厚度为80nm。
本发明相比于现有技术具有以下优点：
1、本发明的增强非对称传输的单层微纳结构，结构简单、容易制备、两个孔之间的间隙在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射时，聚集电荷的能力不同，从而产生非对称传输，得到可供探测用的AT信号；
2、本发明的增强非对称传输的单层微纳结构在偏振光照射下，相比于现有技术来说，在短波段可以产生更大的AT信号；
3、本发明的增强非对称传输的单层微纳结构在偏振光照射下，长波长区域可以产生两个较大的AT信号，产生了更好的技术效果，使得探测效果更佳，而且克服了现有技术中在一定波段只能产生一个较大AT信号的固有模式，为利用微纳金属结构探测手性分子研究提供了一种新的研究方向和思路；
4、本发明的增强非对称传输的单层微纳结构在短波长区域可以将原来的一个峰劈裂为两个峰，增加了一个较大的AT信号，增加了手性分子的探测精度。
5、本发明的增强非对称传输的单层微纳结构非对称传输性能突出，可以很好地应用到非对称传输器件的制作中，当该周期单元本体尺寸发生变化时，在其他的波段也能获得一样的功能，并且可以通过周期单元本体尺寸的改变调节AT的信号的波段，在偏振转换器、电磁开关等器件的制作中可以发挥巨大作用。
6、本发明的增强非对称传输的单层微纳结构，可在长共振波段实现强非对称传输效应，长共振波段的信号不易衰减或衍射，信号稳定。
7、本发明的增强非对称传输的单层微纳结构的制备方法采用电子束刻蚀曝光结构图形过程中，电子束对所述结构的图形部分的PMMA光刻胶进行刻蚀，结构图形部分的面积小于结构图形外的空隙部分，由于电子束刻蚀的过程非常缓慢，因此，本发明的制备方法节省了结构图形的曝光时间，提高了制备效率。
附图说明
图1是极化转换的非对称传输原理示意图。
图2是本发明结构示意图。
图3是图2中周期单元1的结构示意图。
图4是本发明周期单元1的立体示意图。
图5是背景技术专利中矩形孔微纳结构示意图；
图6是背景技术专利中矩形孔微纳结构的非对称透射光谱图；
图7是本发明增强非对称传输的单层微纳结构在左旋光照射下，不同间距g的非对称透射光谱图；
图8是本发明增强非对称传输的单层微纳结构在右旋光照射下，不同间距g的非对称透射光谱图；
图9是本发明增强非对称传输的单层微纳结构在不同间距g的非对称透射转化率光谱图；
图10是本发明增强非对称传输的单层微纳结构在左旋光照射下，不同直径d的非对称透射光谱图；
图11是是本发明增强非对称传输的单层微纳结构在右旋光照射下，不同直径d的非对称透射光谱图；
图12是本发明增强非对称传输的单层微纳结构在不同直径d的非对称透射转化率光谱图；
图13是本发明增强非对称传输的单层微纳结构与传统矩形结构在短波长区域非对称透射光谱对比图。
图中：1、周期单元；1-1、周期单元本体；a、半圆形孔；b、矩形孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图2、3中，本发明一种增强非对称传输的单层微纳结构,所述的结构由多个结构相同的周期单元1上下、左右连接而成，所有的周期单元1位于同一平面内；
所述的周期单元1为：周期单元本体1-1上加工有矩形孔b和半圆形孔a，矩形孔b的长边与半圆形孔a的直径平行，半圆形孔a的圆弧与矩形孔b的长边相离或者相切；矩形孔b长边与Px方向的夹角α为0～45°，其中，Px定义为x轴。为实现本发明增强非对称传输的目的，周期单元本体1-1的材料可以为贵金属中的任意一种，优选地，本实施例采用金制作周期单元本体1-1，周期单元本体1-1是边长为630nm的单层正方形结构，周期单元本体的厚度t＝80nm，矩形孔长边长l＝540～560nm，短边长w＝100～300nm，半圆形孔的直径d＝100～300nm，半圆孔的圆弧顶点与矩形孔之间的垂直距离g＝0～10nm。
在图4中，当LCP和RCP分别从结构的正面入射时，其入射光和出射光转化的透射率不同，从而产生非对称透射效应，得到AT信号。尤其当入射光为左旋偏振光、出射光为右旋偏振光时的转化透射率比入射光为右旋偏振光、出射光为左旋偏转光的高；本结构长波长的两个共振峰是由矩形孔和半圆形孔之间的间隙处的局域振动引起的，由于在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的照射下，矩形孔和半圆形孔之间的间隙对于电荷的聚集能力不同，因此对于圆偏振光的转化透射率不同形成了非对称传输效应。此结构不仅增强了矩形孔短波长原有的AT信号，还在长波长段产生了两个较大AT信号。
上述增强非对称传输的单层微纳结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备基底：准备ITO玻璃基底并清洗吹干；本实施例中的ITO玻璃基底厚度为1.0mm，长×宽为20.0mm×20.0mm，将该基底放入洗涤液中清洗，用去离子水超声15min后，用丙酮超声15min，再用酒精超声15min，之后用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。
S2、涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ITO玻璃基底上涂覆PMMA光刻胶；本实施例中光刻胶的厚度为270nm，所述甩胶机的转速为4000rpm，时间为60s。
S3、涂胶后烘干：将步骤2涂覆PMMA光刻胶的基底放在热板上烘干；本实施例中烘干的温度为150℃，时间为3min。
S4、电子束曝光结构图形：用图形发生器设计上述权利要求1、2所述的结构图形，并用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；曝光时，电子束对所述结构的图形部分的PMMA光刻胶进行刻蚀；
S5、显影：常温下，将步骤4中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；本实施例中浸泡显影的时间为60s。
S6、定影：将步骤5浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影，定影完成后将基底取出，用氮气吹干；本实施例中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3:1配合制成，浸泡定影的时间为20s。
S7、定影后烘干：将步骤6浸泡定影后并吹干的基底放在热板上烘干；本实施例中烘干的温度为150℃，时间为3min。
S8、镀金：将步骤7定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀金，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；本实施例中真空蒸发镀膜机的真空度不大于3×10-6torr，蒸镀金的厚度为80nm。
S9、剥离PMMA光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤8真空镀金后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解电子束PMMA光刻胶；
S10、吹干：用氮气枪吹干步骤9得到的剥离PMMA光刻胶后的基底，得到所述实现非对称传输的微纳金属结构。
上述结构的制备方法中，采用电子束刻蚀曝光结构图形过程，电子束是对所述结构的图形部分的PMMA光刻胶进行刻蚀，结构图形部分的面积小于结构图形外的空隙部分，由于电子束刻蚀的过程非常缓慢，因此，本发明的制备方法节省了结构图形的曝光时间，提高了制备效率。
实施例2
采用上述实施例1中制备方法制备完成本发明增强非对称传输的单层微纳结构后，通过使用三维有限元方法(FEM)计算软件COMSOL Multiphysics进行计算模拟试验。
本实施例中，设定结构的参数：矩形孔b长边l＝520nm，短边w＝200nm，半圆直径为d＝200nm，半圆孔a的圆弧顶点与矩形孔b之间的垂直距离g＝5nm，周期单元本体1-1边长Px＝Py＝630nm，周期单元本体1-1的厚度t＝80nm，矩形孔b长边与Px方向的夹角α＝25°，其模拟结果如图9所示，在长波长段产生两个AT信号，分别为：当波长λ＝660nm时，AT＝17％；当波长λ＝960nm时，AT＝6％；当波长λ＝1200nm时，AT＝20％。AT信号明显增强，且在原有基础上信号有所增加。
而在同等条件下，采用如图5所示的矩形孔微纳结构示意图进行实验时，设定结构的参数：矩形孔宽度w＝200nm，长度l＝520nm；周期边长Px＝Py＝630nm；周期厚度t＝80nm；矩形长边与Px方向边长的倾斜角α＝22.5°。如图6矩形孔微纳结构的非对称透射光谱图所示，当波长λ＝660nm时，AT＝10％；波长λ＝1200nm时，AT＝0％，只有在短波长段出现一个AT信号，且AT值较小。
实施例3
在本实施例中，仅改变半圆孔的圆弧顶点与矩形孔之间的垂直距离g，其他参数不变，均与实施例2相同。
本实施例的结构中矩形孔b长边l＝520nm，短边w＝200nm，半圆孔a直径d＝200nm，周期单元本体1-1的厚度t＝80nm，矩形孔b长边与Px方向的夹角α＝22.5°，周期单元本体1-1边长Px＝Py＝630nm，半圆孔a的圆弧顶点与矩形孔b之间的垂直距离g＝0nm、5nm和10nm。
本实施例制备的增强非对称传输的单层微纳结构的透射光谱图7和图8所示，本实施例的增强非对称传输的单层微纳结构的非对称传输的转化率如图9所示。
将图7、图8与图6对比，可以看出，改变g的参数后，当g＝0nm，在波长入＝1270nm时，非对称传输的转化率AT＝8％；波长入＝1120nm时，非对称传输的转化率AT＝19.6％；
g＝5nm，在波长入＝960nm时，非对称传输的转化率AT＝6％；在波长入＝1200nm时，非对称传输的转化率AT＝20％；
g＝10nm，在波长入＝1050nm时，非对称传输的转化率AT＝10.4％，在波长入＝1310nm时，非对称传输的转化率AT＝19.1％；
相比于对比例中矩形孔形结构AT＝10％有很大的提高。
实施例4
本实施例的实现非对称传输的微纳金属结构，仅改变半圆直径d,其他参数不变，均与实施例2相同。本实施例的结构中矩形孔b长边l＝520nm，短边w＝200nm，半圆孔a的圆弧顶点与矩形孔b之间的垂直距离g＝5nm，周期单元本体1-1的厚度t＝80nm，矩形孔b长边与Px方向的夹角α＝22.5°，周期单元本体1-1边长Px＝Py＝630nm，半圆孔a直径d＝180nm、200nm和220nm。
本实施例制备的增强非对称传输的单层微纳结构的透射光谱图10和图11所示，本实施例的增强非对称传输的单层微纳结构的非对称传输的转化率如图12所示。
将图10、图11与图6对比，可以看出，改变d的参数后，当d＝180nm，在波长入＝1290nm时，非对称传输的转化率AT＝8％；波长入＝1120nm时，非对称传输的转化率AT＝19.6％；
d＝200nm，在波长入＝960nm时，非对称传输的转化率AT＝6％；在波长入＝1200nm时，非对称传输的转化率AT＝20％；
d＝220nm，在波长入＝1050nm时，非对称传输的转化率AT＝10.4％，在波长入＝1310nm时，非对称传输的转化率AT＝19.1％；
相比于对比例中矩形孔形结构AT＝10％有很大的提高。
与实施例3和4同样的方法，结构参数在实施例1的范围内，改变半圆孔a的圆弧顶点与矩形孔b之间的垂直距离g和半圆直径d，本结构均能在其他波段获得一样的功能，在长波长段产生两个AT信号，具有较高非对称传输的转化率。
如图13所示，增强非对称传输的单层微纳结构与传统矩形结构在短波长区域与对比案例非对称透射光谱对比图，本实施例中的增强非对称传输的单层微纳结构在短波长区域可以将原来的一个峰劈裂为两个峰，增加了一个较大的AT信号，增加了手性分子的探测精度。

Claims (10)

1.一种增强非对称传输的单层微纳结构,其特征在于：所述的结构由多个结构相同的周期单元上下、左右连接而成，所有的周期单元位于同一平面内；
所述的周期单元为：周期单元本体上加工有矩形孔和半圆形孔，矩形孔的长边与半圆形孔的直径平行，半圆形孔的圆弧与矩形孔的长边相离或者相切；矩形孔长边与Px方向的夹角α为0～45°,其中，Px定义为x轴。
2.根据权利要求1所述的一种增强非对称传输的单层微纳结构，其特征在于：所述的周期单元本体是边长为630nm的单层正方形结构，周期单元本体的厚度t=80nm，矩形孔长边长
Figure DEST_PATH_IMAGE001
=540～560nm，短边长w=100～300nm，半圆形孔的直径d=100～300nm，半圆孔的圆弧顶点与矩形孔之间的垂直距离g=0～10nm。
3.根据权利要求1所述的一种增强非对称传输的单层微纳结构，其特征在于：所述的周期单元本体由金材料制作。
4.根据上述权利要求1～3任意一项所述的结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备基底：准备ITO玻璃基底并清洗吹干；
S2、涂光刻胶：用甩胶机在步骤1准备好的ITO玻璃基底上涂覆PMMA光刻胶；
S3、涂胶后烘干：将步骤2涂覆PMMA光刻胶的基底放在热板上烘干；
S4、电子束曝光结构图形：用图形发生器设计上述权利要求1、2任意一项所述的结构图形，并用电子束曝光图形，得到曝光后的基底；
S5、显影：常温下，将步骤4中曝光好的基底放入显影液中浸泡显影；
S6、定影：将步骤5浸泡显影后的基底放入定影液中浸泡定影，定影完成后将基底取出，用氮气吹干；
S7、定影后烘干：将步骤6浸泡定影后并吹干的基底放在热板上烘干；
S8、镀金：将步骤7定影后烘干的基底放入电子束真空蒸发镀膜机镀金，蒸镀完冷却10min～20min后再取出；
S9、剥离PMMA光刻胶：采用lift-off工艺，将步骤8真空镀金后的基底泡在丙酮中，时间至少为30min，溶解电子束PMMA光刻胶；
S10、吹干：用氮气枪吹干步骤9得到的剥离PMMA光刻胶后的基底，得到所述实现非对称传输的微纳结构。
5.根据权利要求4所述的一种增强非对称传输的单层微纳结构制备方法，其特征在于：所述的步骤S1中ITO玻璃基底厚度为1.0mm，长×宽为20.0mm×20.0mm，所述的基底放入洗涤液中清洗，用去离子水超声15min后，用丙酮超声15min，再用酒精超声15min，之后用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。
6.根据权利要求5所述的一种增强非对称传输的单层微纳结构制备方法，其特征在于：所述的步骤S2中光刻胶的厚度为270nm，所述甩胶机的转速为4000rpm，时间为60 s。
7.根据权利要求6所述的一种增强非对称传输的单层微纳结构制备方法，其特征在于：所述的步骤S3和步骤S7中烘干的温度为150℃，时间为3min。
8.根据权利要求7所述的一种增强非对称传输的单层微纳结构制备方法，其特征在于：所述的步骤S5中浸泡显影的时间为60s。
9.根据权利要求8所述的一种增强非对称传输的单层微纳结构制备方法，其特征在于：所述的步骤S6中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3:1配合制成，浸泡定影的时间为20s。
10.根据权利要求9所述的一种增强非对称传输的单层微纳结构制备方法，其特征在于：所述的步骤S8中真空蒸发镀膜机的真空度不大于3×10-6torr，蒸镀金的厚度为80nm。
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